Même les fossiles d’eucaryotes les plus anciens présentent une diversité et une complexité éblouissantes

Le soleil vient de se coucher sur une vasière tranquille du Territoire du Nord en Australie ; il reviendra dans 19 heures. Une jeune lune domine le paysage désolé. Aucun animal ne se précipite dans la lumière déclinante. Aucune feuille ne bruisse sous la brise. Aucun lichen n’incruste la roche exposée. Le seul signe de vie est un peu d’écume dans quelques flaques d’eau et étangs. Et parmi eux vit une communauté microbienne diversifiée de nos anciens ancêtres.

Dans un nouveau récit de microfossiles superbement préservés, des chercheurs de l’UC Santa Barbara et de l’Université McGill révèlent que les organismes eucaryotes avaient déjà évolué vers un large éventail de formes il y a même 1,64 milliard d’années. Le papierpublié dans la revue Articles en paléontologie, raconte un assemblage de fossiles eucaryotes d’une époque précoce de l’histoire évolutive du groupe. Les auteurs décrivent quatre nouveaux taxons, ainsi que des preuves de plusieurs caractéristiques avancées déjà présentes chez ces premiers eucaryotes.

« Ce sont parmi les eucaryotes les plus anciens jamais découverts », a expliqué l’auteur principal Leigh Anne Riedman, chercheuse adjointe au Département des sciences de la Terre de l’UCSB. « Pourtant, même dans ces premiers disques, nous constatons beaucoup de diversité. »

Eukarya constitue l’un des principaux domaines de la vie, englobant les clades de plantes, d’animaux et de champignons, ainsi que tous les autres groupes dont les cellules ont un noyau lié à une membrane, comme les protistes et les algues. De nombreux scientifiques pensaient que les premiers eucaryotes étaient tous assez similaires à la fin du Paléoprotérozoïque et que la diversification avait eu lieu il y a environ 800 millions d’années. Mais Riedman et ses co-auteurs ont trouvé des fossiles d’un groupe de personnages délicieusement diversifiés et complexes dans une roche presque deux fois plus ancienne.

Les scientifiques savaient grâce à des études antérieures que les eucaryotes avaient évolué à cette époque, mais leur diversité à cette époque était mal comprise. Riedman s’est donc rendue dans l’arrière-pays fin 2019. En une semaine, elle avait collecté environ 430 échantillons provenant de huit carottes forées par une société de prospection ; ils résident maintenant dans la bibliothèque du Northern Territory Geological Survey. Les deux carottes utilisées pour cette étude couvraient environ 500 mètres de stratigraphie, soit 133 millions d’années, avec environ 15 millions d’années de dépôts importants.

Riedman est retourné aux États-Unis avec du schiste et du mudstone, vestiges d’un ancien écosystème côtier qui alternait entre des vasières subtidales peu profondes et des lagons côtiers. Un bain d’acide fluorhydrique a dissous la roche matrice, concentrant les précieux microfossiles qu’elle a ensuite analysés au microscope.

« Nous espérions trouver des espèces présentant des caractéristiques intéressantes et différentes de leurs parois cellulaires », a déclaré Riedman. Elle espérait que ces caractéristiques pourraient faire la lumière sur ce qui se passait dans les cellules pendant cette période. Cependant, parvenir à des conclusions sur l’intérieur des cellules nécessiterait beaucoup de recherches, car les fossiles ne préservent que l’extérieur des cellules.

Les chercheurs ont été surpris par la diversité et la complexité préservées dans ces fossiles. Ils ont enregistré 26 taxons, dont 10 espèces auparavant non décrites. L’équipe a trouvé des preuves indirectes de cytosquelettes, ainsi que des structures en plaques suggérant la présence de vésicules internes dans lesquelles les plaques se sont formées, peut-être ancestrales des corps de Golgi, présents dans les cellules eucaryotes modernes. D’autres microbes avaient des parois cellulaires constituées de fibres liées, ce qui suggère également la présence d’un cytosquelette complexe.

Les auteurs ont également découvert des cellules dotées d’une minuscule trappe, preuve d’un certain degré de sophistication. Certains microbes peuvent former un kyste en attendant la fin de conditions environnementales défavorables. Pour émerger, ils doivent pouvoir graver une ouverture dans leur coque protectrice. Faire cette porte est un processus spécialisé.

« Si vous souhaitez produire une enzyme qui dissout votre paroi cellulaire, vous devez faire très attention à la manière dont vous utilisez cette enzyme », a déclaré Riedman. « Donc, dans l’un des premiers enregistrements d’eucaryotes, nous constatons des niveaux de complexité assez impressionnants. »

De nombreuses personnes dans le domaine pensaient que cette capacité était apparue plus tard, et les preuves de cette assemblage soulignent encore davantage à quel point les eucaryotes étaient diversifiés et avancés, même à ce stade précoce. « L’hypothèse a toujours été que c’était à peu près à l’époque où les eucaryotes sont apparus. Et maintenant, nous pensons que les gens n’ont tout simplement pas exploré les roches plus anciennes », a déclaré la co-auteur Susannah Porter, professeur de sciences de la Terre à l’UC Santa Barbara.

Cet article fait partie d’un projet plus vaste portant sur l’évolution précoce des eucaryotes. Riedman et Porter veulent savoir dans quels environnements les premiers eucaryotes se diversifiaient, pourquoi ils étaient là, quand ils ont migré vers d’autres endroits et de quelles adaptations ils avaient besoin pour occuper ces nouvelles niches.

Une grande partie de cet effort consiste à comprendre quand les différentes caractéristiques des eucaryotes sont apparues pour la première fois. Par exemple, les auteurs souhaitent savoir si ces organismes étaient adaptés à des environnements oxygénés ou anoxiques. Les premiers suggéreraient qu’ils avaient un métabolisme aérobie, et éventuellement des mitochondries. Chaque eucaryote moderne découvert descend d’ancêtres possédant des mitochondries. Cela suggère que les eucaryotes ont acquis l’organite très tôt et que cela leur a apporté un avantage significatif.

Riedman et Porter travaillent actuellement sur une nouvelle description de la diversité des eucaryotes à travers le temps. Ils ont également collecté des échantillons encore plus anciens en Australie occidentale et au Minnesota. Pendant ce temps, leurs collaborateurs géochimistes de McGill mènent une étude sur les niveaux d’oxygène et les habitats préférés des eucaryotes, aspects qui pourraient faire la lumière sur leur évolution.

« Ces résultats nous incitent à rechercher du matériel plus ancien, des eucaryotes plus anciens, car ce n’est clairement pas le début des eucaryotes sur Terre », a déclaré Riedman.